[nouvelle publication] Quantifier l'assimilation de polysaccharides par les bactéries marines

Les habitants des zones côtières ou les vacanciers de passage savent que les grandes algues peuvent être très abondantes et créer de véritables forêts sous-marines. Ces macroalgues sont en effet considérées comme des producteurs primaires majeurs dans les environnements côtiers. Grâce à la photosynthèse, elles fixent une quantité importante de carbone sous forme de polysaccharides, qui peuvent ensuite être libérés sous forme dissoute ou particulaire dans l'eau de mer. Les polysaccharides algaux constituent donc un immense réservoir de substrats pour les bactéries hétérotrophes. Pourtant, toutes les bactéries marines ne sont pas capables d'utiliser ces composés. Identifier quels taxons bactériens assimilent activement les polysaccharides algaux et quels gènes sont impliqués reste un défi, encore plus lorsqu'il s'agit de quantifier leur contribution individuelle au flux de carbone.

Pour répondre à cette question, les scientifiques ont mis en œuvre une approche intégrée de méthodes analytiques de marquage basée sur le traçage d'isotopes stables (Stable Isotope Probing en anglais, SIP). Cette technique permet de suivre l'incorporation dans le contenu cellulaire de substrats enrichis en isotopes stables (ici le carbone 13). Les scientifiques ont produit au laboratoire des algues brunes laminaires enrichies en 13C. De ces algues marquées, ils ont extrait l'alginate, un de leurs polysaccharides majoritaires. L'alginate marqué au 13C a été ajouté à des échantillons d'eau côtière pour suivre son assimilation par des bactéries spécifiques au sein des communautés microbiennes de cet environnement. Les résultats montrent que l'alginate est utilisé par un nombre limité de flavobactéries et gammaprotéobactéries initialement rares, et fournissent les premières estimations des taux d'assimilation de l'alginate par chaque cellule. 

Les scientifiques ont analysé les incubations SIP par microscopie ionique NanoSIMS couplée à l'hybridation in-situ (HISH-SIMS). En plus de fournir de magnifiques images des bactéries "à la Andy Warhol", cette approche a permis de détecter spécifiquement les cellules qui avaient incorporé l'alginate, en fonction de leur contenu isotopique. Les taux d'assimilation du carbone issu de l'alginate calculés pour chaque cellule bactérienne ont révélé des valeurs atteignant jusqu'à 27,5 fg C µm-3 h-1, soit un quart de la densité partielle de carbone estimée dans les cellules bactériennes. Les scientifiques ont ensuite fractionné l'ADN total extrait des incubations SIP en fonction de sa densité car plus les microorganismes ont assimilé de 13C provenant de l'alginate, plus leur ADN est dense. Ces fractions d'ADN ont été analysées par séquençage massif du gène de l'ARNr 16S, pour déterminer l'identité taxonomique des incorporateurs d'alginate. Enfin, le criblage fonctionnel de banques métagénomiques préparées à partir des mêmes incubations SIP a permis d'identifier les gènes de certaines de ces bactéries alginolytiques.

Ces résultats nouveaux suggèrent que les polysaccharides algaux abondants sont préférentiellement consommés par un nombre limité de bactéries dans les environnements côtiers, soulignant la forte spécialisation qui existe dans les communautés hétérotrophes. La mesure des taux d'assimilation permet de mieux cerner le rôle quantitatif joué par ces bactéries spécialistes de la dégradation des polysaccharides pour libérer le carbone séquestré dans la biomasse des macroalgues.

© François Thomas
Figure : Microscopie ionique HISH-SIMS de l'assimilation d'alginate par des cellules individuelles. Le même champ est visualisé en utilisant le signal du soufre (à gauche, montrant la biomasse totale), celui du fluor (au centre, montrant l'hybridation avec une sonde ciblant un taxon spécifique) et la fraction d'atomes 13C (à droite, indiquant l'incorporation de 13C à partir de l'alginate). Barre d'échelle : 2 µm.

Pour en savoir plus :
Isotopic tracing reveals single-cell assimilation of a macroalgal polysaccharide by a few marine Flavobacteria and Gammaproteobacteria.
Thomas F, Le Duff N, Wu TD, Cébron A, Uroz S, Riera P, Leroux C, Tanguy G, Legeay E, Guerquin-Kern JL.
The ISME Journal 9 avril 2021. https://doi.org/10.1038/s41396-021-00987-x

Contact
François Thomas
Chercheur CNRS au Laboratoire de biologie intégrative des modèles marins
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